I convertitori ad approssimazioni successive, grazie alle caratteristiche di basso consumo, elevata linearità, dimensioni ridotte e versatilità, risultano particolarmente adatti per impieghi in mercati quali medicale, strumentazione, industriale e militare. Per le applicazioni si spazia da diagnostica per immagini, Tac e risonanza magnetica, alla strumentazione da laboratorio e sistemi di Collaudo, dai sistemi di acquisizione dati ultra veloci all’Automazione industriale e al controllo di processo, per passare attraverso sistemi di monitoraggio, equipaggiamenti per reti ottiche e sistemi portatili.
Il principio di funzionamento di un convertitore Sar
Gli elementi costitutivi sono un circuito sample & hold, un comparatore, un Dac (Convertitore Digitale Analogico), un registro ad approssimazioni successive e una logica di controllo delle temporizzazioni. In corrispondenza del segnale di start il circuito Sample & Hold campiona il valore analogico in ingresso e lo mantiene per tutto il tempo necessario alla conversione. L’uscita del sample & hold viene inviata ad un comparatore; l’altro ingresso del comparatore è pilotato da un Dac. Il registro ad approssimazioni successive genera il codice binario di pilotaggio del Dac e la conversione termina quando i due ingressi del comparatore differiscono di una quantità inferiore alla risoluzione del Convertitore. Il codice corrispondente all’ingresso del Dac è il valore digitale della tensione di ingresso. Per un convertitore a N bit sono necessari N interazioni (corrispondenti ad N colpi di clock). L’algoritmo delle approssimazioni successive ha radici antiche; pare risalga al XVI secolo ed è stato proposto dal matematico Tartaglia come soluzione al problema di determinare il peso di un oggetto con una bilancia a due piatti usando il minor numero di pesi. Supponiamo di voler pesare piccoli oggetti di peso inferiore a 64 g e con risoluzione pari a 1 g. Il matematico suggerì l’uso di pesi pari a 1, 2, 4, 8, 16, 32 g. In questo modo con massimo sei operazioni è possibile ottenere il peso cercato. Vediamo in dettaglio come funziona. Volendo pesare un oggetto di 35g questi sono i passi da compiere:
- Si pone sulla bilancia il peso da 32 g (MSB). Poiché l’oggetto pesa di più i 32g restano sul piatto della bilancia (MSB=1)
- Si pone sulla bilancia il peso da 16 g. Poiché si ha uno sbilanciamento nell’altra direzione i 16 g vengono rimossi (Bit 4 =0)
- Si pone sulla bilancia il peso da 8 g. Poiché si ha ancora uno sbilanciamento nell’altra direzione gli 8 g vengono rimossi (Bit 3 =0)
- Si pone sulla bilancia il peso da 4 g. Poiché si ha ancora uno sbilanciamento nell’altra direzione i 4 g vengono rimossi (Bit 2 =0)
- Si pone sulla bilancia il peso da 2 g (MSB). Poiché l’oggetto pesa di più i 2 g restano sul piatto della bilancia (Bit 1 =1)
- Si pone sulla bilancia il peso da 1g (LSB). Adesso la bilancia è in equilibrio e abbiamo raggiunto il peso esatto (Bit 0 =1)
Abbiamo così composto il numero binario 100011 corrispondente al numero decimale 35 che in questo semplice esempio corrisponde proprio ai 35 g del nostro oggetto.
Convertitori Sar a redistribuzione di carica
La precisione e la linearità di un convertitore Sar dipendono principalmente dalle caratteristiche del Dac e del comparatore. In particolare per ottenere Dac di elevata qualità era necessario ricorrere a tecnologie a film sottile con calibrazione laser, una tecnica molto costosa e soggetta a stress meccanico dovuto al packaging. La tecnologia Cmos consente di superare queste problematiche tramite la realizzazione di convertitori Sar a capacità commutate, altrimenti detti a redistribuzione di carica. Questa architettura comprende una funzione Sample & Hold intrinseca e può accettare ingressi bipolari o unipolari. Si hanno una serie di condensatori con peso binario, un comparatore e una serie di interruttori controllati dal registro ad approssimazioni successive. Il valore complessivo delle capacità quando sono tutte in parallelo è 2C. Il funzionamento è scandito da tre diverse fasi:
1 - Durante la fase di Sample S1 è chiuso verso massa e S2 è chiuso verso Vin. In questo modo si depositerà sui condensatori una carica proporzionale a Vin.
2 - Durante la fase di Hold S1 viene aperto, mentre gli interruttori da S3 a S7 vengono chiusi verso massa. In questa fase l’ingresso non invertente del comparatore si porta a –Vin.
3 - Nella fase di redistribuzione gli interruttori S3 – S7 vengono sequenzialmente chiusi verso Vref; lo stato del comparatore determina se un interruttore deve essere tenuto chiuso verso Vref oppure GND. Al termine della fase di redistribuzione l’ingresso non invertente del comparatore ritorna a 0V.
Al termine del processo di redistribuzione tutti i condensatori cui corrisponde un “0” risultano completamente scarichi. La carica iniziale è stata redistribuita binariamente tra i condensatori cui corrisponde un “1”.
Il fatto che la tensione all’ingresso del comparatore ritorni al valore iniziale consente una compensazione automatica dell’offset, facendo sì che la linearità del convertitore venga a dipendere principalmente dall’accuratezza del rapporto tra i condensatori. Ricorrendo a tecniche di fotolitografia molto accurate è possibile raggiungere elevati livelli di matching tra i condensatori. Inoltre, mediante routine di auto calibrazione, è possibile tarare le capacità ponendo in parallelo condensatori di basso valore. Gli schemi di principio mostrati finora si riferiscono a ingressi single ended. Modificando opportunamente lo schema è possibile realizzare una configurazione con vero ingresso differenziale, aumentando così l’immunità ai disturbi. L’ingresso differenziale consente inoltre di raddoppiare la dinamica del segnale d’ingresso e quindi di migliorare il rapporto segnale rumore.
Accorgimenti circuitali nell’utilizzo dei Sar
Dall’esame del funzionamento del convertitore a capacità commutate appare evidente come il segnale di ingresso venga applicato solo durante la fase di Sample. Durante le restanti fasi è la tensione di riferimento Vref a giocare un ruolo cruciale. Eventuali disturbi o transitori sulla tensione di riferimento durante la fase di redistribuzione possono influenzare negativamente la conversione. Un errore tipico è scegliere la tensione di riferimento sulla base della corrente assorbita dall’ingresso Vref. Questo valore, che può essere di alcune centinaia di μA per convertitori veloci, è in realtà un valore medio; l’assorbimento è impulsivo e il picco più alto si manifesta in corrispondenza della commutazione dell’MSB. In questi casi il condensatore di disaccoppiamento può non essere sufficiente ed è consigliabile ricorrere a un buffer o all’utilizzo di riferimenti di tensione bufferizzati. Il circuito di pilotaggio dell’AD7984, 18 – Bit, 1.33 Msps, con conversione single ended – differenziale; in questo caso è stato scelto un voltage reference della famiglia ADR43x. Si noti anche la presenza del condensatore da 10 μF. Questo condensatore non va inteso come un normale condensatore di disaccoppiamento ma è parte integrante del convertitore Sar. Durante la fase di redistribuzione, la decisione sul bit viene presa in alcune decine di ns e durante questo tempo è necessario che l’ingresso del comparatore si sia stabilizzato per non incorrere in errori. Il condensatore da 10 μF fornisce rapidamente piccole quantità di carica senza che la tensione ai propri capi subisca variazioni apprezzabili. È consigliabile l’uso di condensatori ceramici a bassa Esr. Al fine di preservare le elevate prestazioni del convertitore è necessario disporre di un driver adeguato. L’ADA4941 è un driver differenziale che presenta una linearità eccellente ed è pertanto indicato per convertitori a 18 bit come l’AD7984. Banda passante elevata, settling time rapido, basso rumore e basso consumo di potenza completano il profilo di questo dispositivo. La funzione disable consente inoltre di ridurre il consumo a soli 10μA, rendendolo adatto anche per applicazioni alimentate a batteria.
Convertitori Sar per tutte le esigenze
I primi convertitori Sar prodotti da Analog Devices sotto forma di moduli risalgono al lontano 1969. In seguito i moduli divennero degli ibridi tra cui si evidenzia l’AD572, un convertitore a 12 bit - 25μs, introdotto nel 1977. L’AD572 è stato il primo convertitore a ricevere la qualifica MIL-STD-883B. Il primo Adc Sar monolitico è stato l’AD574; introdotto nel 1978 si affermava nei primi anni ottanta come standard industriale per la conversione a 12 bit.
Con l’avanzare della tecnologia Analog Devices ha potuto sviluppare prodotti per tutte le esigenze; limitandosi ai soli convertitori ad elevate prestazioni, con risoluzioni pari a 14, 16 e 18 bit, il portafoglio comprende più di quaranta dispositivi. Oltre che per la risoluzione, questi dispositivi si differenziano per la velocità di campionamento, l’ingresso analogico, che può essere unipolare, bipolare o differenziale, l’interfaccia digitale, parallela o seriale, il clock di conversione e la tensione di riferimento, che possono essere interni o esterni. Altri tratti distintivi sono il basso consumo di potenza, le dimensioni ridotte, l’elevata linearità e l’elevato rapporto segnale-rumore. Una volta dominio incontrastato dei convertitori pipeline, si è passati dall’AD7677, con 1 Msps in tecnologia Cmos 0.6 micron, all’AD7626, in tecnologia Cmos 0.25 micron e con ben 10 Msps. Altri dispositivi degni di nota sono l’AD7641, 18 bit 2 Msps, l’AD7690, primo Adc a 18 bit in package 10-lead Msop e 10-lead Qfn, e le famiglie AD761x e 763x di convertitori a 16/18 bit con ingressi programmabili, 0-5 V, 0-10 V, ±5 V e ±10 V.
